論石油化工企業(yè)中火氣系統(tǒng)的應(yīng)用

于欣愷，林洪俊

(中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071)

石油化工企業(yè)既儲(chǔ)備有大量易燃易爆氣體、液體等危險(xiǎn)化學(xué)品，又具有高溫、高壓工藝過程，管道多、設(shè)備多、接口多、釋放源多，極易發(fā)生火災(zāi)或爆炸事故，并容易使災(zāi)害蔓延。

F&GS，俗稱火氣系統(tǒng)，根據(jù)IEC規(guī)范可定義為執(zhí)行火災(zāi)及氣體檢測(cè)及控制等安全儀表功能的全部傳感器、邏輯運(yùn)算器、終端執(zhí)行元件所組成的集合[1-2]。F&GS作為一種火災(zāi)及可燃、有毒氣體綜合性檢測(cè)、報(bào)警、控制系統(tǒng)，具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、兼容性好等特點(diǎn)，非常適合于在煉廠這種高危場(chǎng)所使用，目前F&GS已是國際大型石化企業(yè)的標(biāo)配。鑒于中國國情，F(xiàn)&GS尚未在國內(nèi)石化企業(yè)推廣使用。

本文將以哈薩克斯坦某煉廠F&GS的應(yīng)用為例，對(duì)F&GS在國際煉廠項(xiàng)目中的通用解決方案做簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)F&GS未來在國內(nèi)石化企業(yè)的應(yīng)用做一下展望。

1 F&GS設(shè)計(jì)原則

F&GS設(shè)計(jì)原則一般包括安全完整性原則、故障安全型原則、獨(dú)立性原則、系統(tǒng)冗余原則等[1-2]。

1.1 安全完整性原則

IEC 61508Functionalsafetyofelectrical/electronic/programmableelectronicsafety-relatedsystems將安全完整性等級(jí)(SIL)劃分為4級(jí)(SIL1～SIL4)。SIL指在一定時(shí)間、一定條件下，安全系統(tǒng)能夠執(zhí)行所規(guī)定的安全功能的概率[1]。SIL劃分見表1所列，其中：PFD為失效概率，RRF為風(fēng)險(xiǎn)降低因子。

表1 SIL劃分

F&GS的SIL定級(jí)結(jié)果是F&GS設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，應(yīng)由業(yè)主或工程承包商委托第三方進(jìn)行安全完整性等級(jí)分析，作為F&GS的設(shè)計(jì)輸入。

1.2 故障安全型原則

F&GS應(yīng)采用基于高可靠性的故障安全型的可編程邏輯控制器(PLC)；導(dǎo)致F&GS部分或全部失效的多重故障應(yīng)能使F&GS恢復(fù)到安全狀態(tài)；所有I/O卡件應(yīng)具有短路和斷路監(jiān)測(cè)功能，故障報(bào)警。

1.3 獨(dú)立性原則

IEC規(guī)范定義了過程工業(yè)為防止發(fā)生事故設(shè)置的層層防護(hù)措施，F(xiàn)&GS與ESD，DCS等系統(tǒng)屬于不同的防護(hù)層，這就要求F&GS應(yīng)盡量獨(dú)立設(shè)置，以免系統(tǒng)合建發(fā)生故障造成多個(gè)防護(hù)層同時(shí)失效的情況發(fā)生。應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的傳感器、獨(dú)立的電纜、獨(dú)立的電源、獨(dú)立的控制器、獨(dú)立的執(zhí)行元件等。

1.4 冗余性原則

F&GS一般應(yīng)采用冗余的電源、冗余的控制器、冗余的I/O卡件、冗余的網(wǎng)絡(luò)。

2 F&GS設(shè)計(jì)方案

2.1 F&GS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以哈薩克斯坦某煉廠為例，F(xiàn)&GS為三層結(jié)構(gòu)，火氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 火氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

1)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與執(zhí)行層。包含現(xiàn)場(chǎng)儀表、執(zhí)行設(shè)備，如： 可燃、有毒氣體檢測(cè)器，火災(zāi)手動(dòng)報(bào)警按鈕，火焰探測(cè)器，聲光報(bào)警器，建筑物火災(zāi)報(bào)警盤、雨淋閥，風(fēng)機(jī)等。

2)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室控制層。包括邏輯控制器、I/O卡件、供電單元和繼電器等外圍配套設(shè)備。在每個(gè)生產(chǎn)單元設(shè)置獨(dú)立的F&GS控制器，火和氣可共用控制器，也可采用獨(dú)立的控制器。

3)中心控制室監(jiān)控層。即人機(jī)界面，包括操作站、操作臺(tái)、火災(zāi)集中報(bào)警控制盤等，操作站進(jìn)行全廠生產(chǎn)區(qū)火氣報(bào)警的監(jiān)控，火災(zāi)集中報(bào)警控制盤進(jìn)行全廠建筑物火氣報(bào)警的監(jiān)控。

2.2 F&GS邏輯控制器

F&GS邏輯控制器是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心部件，基于帶有失效安全架構(gòu)的高性能PLC，應(yīng)具備冗余、容錯(cuò)、自診斷、熱拔插、可擴(kuò)展、抗干擾等特性。邏輯控制器主要功能包括邏輯運(yùn)算和控制、數(shù)據(jù)通信、編程、軟硬件診斷等。邏輯控制器的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)。

2.3 I/O卡件

F&GS常用I/O卡件有DI，DO及AI卡。DI卡件主要用于接收火災(zāi)手動(dòng)報(bào)警按鈕報(bào)警、消防閥開/閉狀態(tài)反饋等干節(jié)點(diǎn)信號(hào)；DO卡件用于驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器、執(zhí)行器等設(shè)備，應(yīng)注意負(fù)載對(duì)觸點(diǎn)容量的要求；AI卡件用于接收火焰探測(cè)器、可燃有毒探測(cè)器的4～20 mA報(bào)警信號(hào)。

I/O卡件應(yīng)采用冗余配置；卡件內(nèi)通道間應(yīng)相互隔離；卡件應(yīng)具備線路故障監(jiān)測(cè)功能；應(yīng)注意輸入輸出信號(hào)類型、隔離要求等。

2.4 人機(jī)界面

配備操作員站用于現(xiàn)場(chǎng)情況的監(jiān)視與操作。對(duì)于安全聯(lián)鎖，還需要設(shè)輔助操作臺(tái)，設(shè)置硬啟動(dòng)開關(guān)。

2.5 F&GS與其他系統(tǒng)之間的通信、聯(lián)鎖和報(bào)警

F&GS與其他系統(tǒng)之間的通信、聯(lián)鎖和報(bào)警關(guān)系如圖2所示。

圖2 F&GS與其他系統(tǒng)之間的通信、聯(lián)鎖和報(bào)警關(guān)系示意

F&GS與其他系統(tǒng)之間的通信、聯(lián)鎖和報(bào)警關(guān)系包括如下：

1)接收建筑物的火災(zāi)報(bào)警控制盤的開關(guān)量通用報(bào)警信號(hào)。

2)向DCS發(fā)出開關(guān)量通用報(bào)警信號(hào)；與DCS進(jìn)行冗余串行通信，DCS應(yīng)能顯示F&GS實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

3)向SIS發(fā)出開關(guān)量信號(hào)，啟動(dòng)消防水系統(tǒng)，由SIS完成。

4)向SIS發(fā)出開關(guān)量綜合報(bào)警信號(hào)，由操作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)事故情況決定是否采取緊急停車措施。

5)火災(zāi)時(shí)發(fā)出開關(guān)量信號(hào)啟動(dòng)泡沫比例混合裝置，與泡沫比例混合裝置系統(tǒng)進(jìn)行串行通信，實(shí)時(shí)顯示泡沫系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

6)向廣播系統(tǒng)發(fā)出開關(guān)量報(bào)警信號(hào)，用于現(xiàn)場(chǎng)火氣事故報(bào)警、緊急疏散及救援指揮廣播。

7)向電視監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)出開關(guān)量報(bào)警信號(hào)，聯(lián)動(dòng)事故區(qū)域附近的攝像機(jī)轉(zhuǎn)向預(yù)置位置。

2.6 系統(tǒng)軟件

組態(tài)軟件應(yīng)具備在線編程、離線編程、離線仿真調(diào)試、在線修改與下裝等功能。組態(tài)軟件應(yīng)采用滿足IEC61131標(biāo)準(zhǔn)的編程語言，至少應(yīng)有功能塊圖、結(jié)構(gòu)文本編程方式。

2.7 系統(tǒng)擴(kuò)展與余量

應(yīng)為系統(tǒng)未來擴(kuò)建預(yù)留合理的余量，建議配備最小余量見表2所列。

表2 F&GS最小余量配置 %

2.8 邏輯功能

F&GS邏輯功能主要包括： 現(xiàn)場(chǎng)火氣的檢測(cè)及多級(jí)報(bào)警、啟動(dòng)消防聯(lián)動(dòng)設(shè)備、啟動(dòng)廣播進(jìn)行疏散指揮、聯(lián)動(dòng)視頻系統(tǒng)進(jìn)行事故確認(rèn)等。F&GS對(duì)于消防聯(lián)鎖的可靠性要求很高，因此應(yīng)采取2個(gè)及以上探測(cè)器或多種探測(cè)器動(dòng)作組合作為消防聯(lián)鎖的觸發(fā)信號(hào)。

3 F&GS在國內(nèi)石化企業(yè)應(yīng)用前景展望

3.1 國內(nèi)常用火氣監(jiān)控方案介紹

與國外石化企業(yè)中廣泛應(yīng)用的F&GS監(jiān)控方案不同，國內(nèi)石化企業(yè)火氣監(jiān)控方案一般是選用以傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警控制器為核心搭建的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，以氣體探測(cè)系統(tǒng)為核心搭建的可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。采用該方案的主要原因： 目前國內(nèi)消防規(guī)范對(duì)于重要消防設(shè)備有專門的限制，火災(zāi)報(bào)警控制器必須具備CCCF認(rèn)證，以PLC為基礎(chǔ)的F&GS是不允許使用的；安監(jiān)總管三116號(hào)文件要求可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)與基本過程控制系統(tǒng)完全獨(dú)立。

3.2 傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用存在的問題

傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在工業(yè)場(chǎng)所的應(yīng)用主要存在以下問題：

1)可用性差。傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可用性差，一般CPU、模塊、通信網(wǎng)絡(luò)均不可熱冗余配置，若發(fā)生系統(tǒng)故障將導(dǎo)致數(shù)小時(shí)乃至數(shù)日系統(tǒng)難以恢復(fù)。

2)可靠性差。工業(yè)場(chǎng)所環(huán)境非常復(fù)雜，雖然進(jìn)行了隔離、屏蔽、接地等多種綜合保護(hù)措施，但根據(jù)實(shí)際使用效果來看，傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)還是難以避免誤動(dòng)作多的缺點(diǎn)，用戶不堪其擾，經(jīng)常將火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)調(diào)到手動(dòng)模式或甚至關(guān)機(jī)，失去了保護(hù)作用。

3)接口能力差。工業(yè)火災(zāi)監(jiān)控需連接的設(shè)備種類較多，接口類型多樣，傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)接口信號(hào)類型少，不能接收模擬量信號(hào)，難以勝任。

4)邏輯功能差。工業(yè)火災(zāi)監(jiān)控需要連接的探測(cè)設(shè)備和聯(lián)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備多，聯(lián)鎖邏輯復(fù)雜。傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)編程功能不靈活，且僅能以外接模塊組合應(yīng)對(duì)。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，采用傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)，每遇到聯(lián)鎖關(guān)系較復(fù)雜的單元現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試都非常困難，問題頻出，設(shè)計(jì)、施工、業(yè)主各方都比較頭疼。

5)開放性差。傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)開放性差，不同品牌之間、不同系統(tǒng)之間難以兼容。石化企業(yè)分階段建設(shè)，不同階段建設(shè)的裝置，因產(chǎn)品招標(biāo)經(jīng)常采用不同品牌的設(shè)備，造成難以在統(tǒng)一的監(jiān)控平臺(tái)上集中管理。

6)管理維護(hù)工作量大。傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與模塊之間不是通過標(biāo)準(zhǔn)的卡槽進(jìn)行插接，而是需將模塊單獨(dú)安裝于模塊箱或模塊柜中，通過總線并接的方式將模塊接入控制器中，集成化程度低，外接線多，從而造成系統(tǒng)故障點(diǎn)多，施工、管理、維護(hù)不便。

3.3 F&GS應(yīng)用預(yù)測(cè)

相比傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，F(xiàn)&GS雖然價(jià)格較高，但可靠性和可用性高，滿足石化行業(yè)的需求特點(diǎn)；接口形式多，適應(yīng)性強(qiáng)，滿足檢測(cè)與執(zhí)行設(shè)備類型多的特點(diǎn)；編程靈活，邏輯、運(yùn)算功能強(qiáng)大，滿足消防控制邏輯復(fù)雜的需求；開放性好，可互聯(lián)互通，滿足消防系統(tǒng)一體化、自動(dòng)化、智能化及遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求；集成度高，接線簡(jiǎn)便，故障點(diǎn)少，滿足工程實(shí)施和日后管理維護(hù)的需要。可以預(yù)見未來F&GS在國內(nèi)石化企業(yè)推廣應(yīng)用的前景是比較廣闊的。

目前，F(xiàn)&GS在國內(nèi)推廣的主要困難是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)問題，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)要取得CCCF認(rèn)證才能在國內(nèi)市場(chǎng)上應(yīng)用。根據(jù)國內(nèi)目前消防產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)&GS要取得CCCF認(rèn)證比較困難，僅有的幾家取得CCCF認(rèn)證的F&GS價(jià)格必然不菲。因此，建議相關(guān)管理部門應(yīng)逐步改進(jìn)消防產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

本文對(duì)F&GS在國際工程中的應(yīng)用做了簡(jiǎn)單介紹，希望能對(duì)同行有所啟發(fā)。目前，F(xiàn)&GS雖尚未在國內(nèi)石化行業(yè)大規(guī)模推廣應(yīng)用，但已經(jīng)顯示出良好的應(yīng)用前景。相信伴隨著改革開放進(jìn)程的加快，工業(yè)領(lǐng)域的火氣監(jiān)控方案也會(huì)逐步與國際接軌，更好地為中國石油石化行業(yè)保駕護(hù)航。